在厌氧消化出水中培养北欧Clorococcum属：CO2浓度与反应器配置的影响

把污水变成资源

随着城市发展，我们排放大量含有仍可利用的养分和碳的污水。科研人员正在探索如何利用微小的绿藻将这些污水转化为清洁水、有用产品，并辅助应对气候变化。本研究考察了一株耐寒的北欧微藻，提出一个务实的问题：在何种条件下它能最佳地净化废水、固定二氧化碳并产生有价值的生物质？

从污泥残液到藻类营养汤

现代污水处理厂常用厌氧消化工艺，微生物分解污泥产生沼气。剩余的液体富含氮和磷，若未经处理排放，会在湖泊和海域诱发有害藻华。研究者将这种残留液体用作北欧株绿藻Chlorococcum的培养基。由于藻类通过光合作用生长，研究中还向体系供应了二氧化碳，模拟可能来自烟气的气流。通过调整CO2水平和培养容器类型，他们测试了藻类的生长、营养物去除以及将碳转化为生物质的能力。

寻找二氧化碳的最佳浓度

团队首先关注藻类接触的气体。他们比较了四种CO2水平：普通空气（CO2含量很低）以及富集到3%、6%或9%的空气。CO2不足时藻类受限，水体pH偏高，不利于生长；CO2过多则使pH过低，同样抑制细胞生长。最佳点为6% CO2，比普通空气培养时产生近五倍的生物质，并且每升培养液的CO2捕集速率最高。然而，用普通空气培养的藻类在去除铵盐和磷方面更有效，部分原因是碱性水体中的化学过程将一部分氮以气体形式脱除，与生物作用无关。

为藻类设计合适的“家”

接着，科学家们考察了反应器的物理设计——藻类的“家”——如何影响性能。在最佳的6% CO2下，他们比较了简单的气泡柱、带内管促进循环的升气式反应器，以及装有浮动塑料载体为藻类提供附着表面的气泡柱。三种设计均将水体维持在接近中性的舒适pH范围内。升气式反应器在最短时间内获得了最高的细胞数，适合需要快速增长的情况。然而，简单气泡柱最终得到的生物质最多，并且去除的铵盐和磷也最多，只是达到该状态花费的时间更长。带载体的版本在CO2利用上略有改善，但对该藻株的生长或营养物去除并未带来明显优势。

藻类作为未来燃料的平台

除了净化水和捕集CO2，微藻还因其含油组分可转为生物柴油而受到关注。研究者测定了藻体中的蛋白质、碳水化合物和不同类型的脂类。蛋白和糖的含量在不同CO2水平和反应器类型间保持相对稳定，表明该菌株代谢上较为稳定。相反，脂类比例对CO2很敏感：低CO2时藻体脂含量较低，偏向构成细胞膜的多不饱和分子；高CO2时则积累更多脂质，并向单不饱和分子转变，这类分子更适合用于生物柴油，其组成接近现有燃料标准。重要的是，改变反应器设计并未改变这种生化组成，这意味着工程师可以根据成本和性能选择反应器，而不必牺牲产品质量。

对更清洁水源与气候目标的意义

对非专业读者而言，这项研究表明一种耐寒的北欧藻株可以将污水处理产生的有问题的残液转化为更清洁的水、被固定的碳以及潜在的有用生物燃料。工作指出了一个切实可行的运行区间：将CO2适度富集到约6%，并根据优先目标在快速增长的升气式反应器或更彻底净化的气泡柱之间选择。尽管收获成本和大规模工程等挑战仍然存在，结果表明基于微藻的系统有望帮助城市满足清水法规、减少营养盐污染，并通过将废水处理与生物质生产相结合支持气候与能源目标。

引用: Mohammadkhani, G., Mahboubi, A., Funk, C. et al. Cultivation of Nordic Chlorococcum sp. in anaerobic digestion effluent: Effects of CO₂ concentration and reactor configuration. Sci Rep 16, 13625 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51126-5

关键词: 微藻废水处理, 二氧化碳捕集, 厌氧消化出水, 藻类生物燃料潜力, 光生物反应器设计